掃描隧道顯微鏡實(shí)驗(yàn)報(bào)告-3

掃描隧道顯微鏡實(shí)驗(yàn)報(bào)告【摘要】掃描隧道顯微鏡的英文縮寫是STM(scanningtunnelingmicroscope，STM)。本實(shí)驗(yàn)通過使用STM來觀測(cè)樣品表面的微觀結(jié)構(gòu)?！娟P(guān)鍵詞】STM隧道效應(yīng)恒電流恒高度【引言】STM是20世紀(jì)80年代初期出現(xiàn)的一種新型表面分析工具。由德國人賓寧(G.Binnig,1947-)和瑞士人羅勒(H.Roher,1933-)1981年發(fā)明，根據(jù)量子力學(xué)原理中的隧道效應(yīng)而設(shè)計(jì)。賓寧和羅勒因此獲得1986年諾貝爾獎(jiǎng).1988年，IBM科學(xué)家從由掃描隧道顯微鏡激發(fā)的納米尺度的局部區(qū)域觀測(cè)到了光子發(fā)射，從而使發(fā)光及熒光等現(xiàn)象能夠在納米尺度上進(jìn)行研究。1989年，IBM院士（IBMFellow）DonEigler成為第一個(gè)能夠?qū)蝹€(gè)原子表面進(jìn)行操作的人，通過用一臺(tái)“掃描隧道顯微鏡”操控35個(gè)氙原子的位置，拼寫出了“I-B-M”3個(gè)字母。1991年，IBM科學(xué)家演示了一個(gè)原子開關(guān)。STM的出現(xiàn)在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中存在重大的意義，被國際科學(xué)界公認(rèn)為20實(shí)際世紀(jì)80年代世界十大科技成就之一?！菊摹繉?shí)驗(yàn)原理1、隧道效應(yīng)以及隧道電流的產(chǎn)生在經(jīng)典力學(xué)中，電子的總能量E可表示為：(1)其中為電子勢(shì)能，為電子的動(dòng)量。對(duì)于經(jīng)典物理學(xué)來說，當(dāng)一個(gè)粒子的動(dòng)能E低于前方勢(shì)壘的高度V0時(shí)，它不可能越過此勢(shì)壘，即透射系數(shù)等于零，粒子將完全被彈回。而按照量子力學(xué)的計(jì)算，在一般情況下，其透射系數(shù)不等于零，也就是說，粒子可以穿過比它能量更高的勢(shì)壘(如圖1)這個(gè)現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。掃描隧道顯微鏡的基本原理是將原子線度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近(通常小于1nm)時(shí)，在外加電場(chǎng)的作用下，電子會(huì)穿過兩個(gè)電極之間的勢(shì)壘流向另一電極，形成隧道電流。(2)其中由式(2)可知，隧道電流強(qiáng)度對(duì)針尖和樣品之間的距離有著指數(shù)依賴關(guān)系，當(dāng)距離減小0.1nm，隧道電流即增加約一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，根據(jù)隧道電流的變化，我們可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息，如果同時(shí)對(duì)x-y方向進(jìn)行掃描，就可以直接得到三維的樣品表面形貌圖。掃描隧道顯微鏡主要工作模式（本次實(shí)驗(yàn)采用恒電流模式）恒電流模式：如圖（a）所示x-y方向進(jìn)行掃描，在z方向加上電子反饋系統(tǒng)，初始隧道電流為一恒定值，當(dāng)樣品表面凸起時(shí)，針尖就向后退；反之，樣品表面凹進(jìn)時(shí)，反饋系統(tǒng)就使針尖向前移動(dòng)，以控制隧道電流的恒定。將針尖在樣品表面掃描時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡在記錄紙或熒光屏上顯示出來，就得到了樣品表面的態(tài)密度的分布或原子排列的圖象。此模式可用來觀察表面形貌起伏較大的樣品，而且可以通過加在z方向上驅(qū)動(dòng)的電壓值推算表面起伏高度的數(shù)值。恒高度模式：如圖(b)所示在掃描過程中保持針尖的高度不變，通過記錄隧道電流的變化來得到樣品的表面形貌信息。這種模式通常用來測(cè)量表面形貌起伏不大的樣品。二、實(shí)驗(yàn)儀器STM掃描隧道顯微鏡，STM控制器，STM控制軟件圖1STM掃描隧道顯微鏡圖2STM控制器三、實(shí)驗(yàn)操作方法1、針尖的制備首先用丙酮溶液對(duì)針、鑷子和剪刀進(jìn)行清潔，用脫脂棉球?qū)λ鼈冞M(jìn)行多次清洗。少等片刻讓針、鑷子和剪刀完全干燥。接著拿鑷子用力夾緊針的一端，慢慢的調(diào)整剪刀使剪刀和針尖的另一端成一定角度(30～45度左右)，握剪刀的手在拌有向前沖力(沖力方向與剪刀和針?biāo)傻慕嵌缺３忠恢?的同時(shí)，快速剪下，形成一個(gè)針尖。然后以強(qiáng)光為背景對(duì)針尖進(jìn)行觀察，看它是否很尖銳，否則重復(fù)上述操作。2、樣品的制備用透明膠帶將石墨表層的不平粘去，使之變得平整。3、用鑷子小心的將針尖插入針槽內(nèi)(切勿反插)，在針槽外的長度約為5～6mm，捍入時(shí)保持針與針槽內(nèi)壁有較強(qiáng)的摩擦力，以確保針的穩(wěn)固(方法是先將針事先稍微折彎后再插入)。手調(diào)節(jié)機(jī)座上前方兩個(gè)帶螺旋測(cè)微儀的旋鈕，逆時(shí)針調(diào)節(jié)(退針)十多圈左右。再把探頭以針尖朝下的方向緩慢平穩(wěn)的安放在平臺(tái)上。注意探頭1.5cm寬的缺口處朝前方，探頭端面的兩個(gè)凹孔應(yīng)正好落在平臺(tái)前面的兩個(gè)支架上，此時(shí)針尖應(yīng)正好指向樣品表面。4、啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，打開控制器電源開關(guān)。單擊桌面的“AJ-1”圖標(biāo)，執(zhí)行操作軟件，屏上會(huì)出現(xiàn)高度圖像(H)、Z高度顯示(T)、馬迖高級(jí)控制(A)共三個(gè)操作框。5．手動(dòng)進(jìn)針。首先仔細(xì)觀察樣品表面位置并找到鏡像小紅燈，此時(shí)可在樣品表面上看到在鏡像紅燈背景下的鏡像針尖。因而可以估計(jì)出針尖與樣品(鏡面)之間的間距。接著用計(jì)算機(jī)實(shí)行一次“單步進(jìn)”操怍，再用手順時(shí)針調(diào)節(jié)兩個(gè)螺旋測(cè)微儀旋鈕，觀察背景鏡像紅燈使實(shí)際針尖和鏡像針尖的距離緩慢靠近，直至兩針尖距離十分接近為止(千萬不能接觸!)。在計(jì)算機(jī)屏上單擊菜單“視圖\Z高度”，出現(xiàn)“Z高度面板”，觀察紅線應(yīng)居于OV，如果紅線達(dá)到-100V即為撞針，針尖報(bào)廢，需重新再制備和安裝新針尖。如果一切正常就可開始掃描圖像。6．自動(dòng)進(jìn)針。在計(jì)算機(jī)控制主界面上，單擊“馬達(dá)\高級(jí)控制”菜單，再在馬達(dá)高級(jí)控制面板(A)中單擊“連續(xù)進(jìn)”，并密切注意觀察屏上顯示進(jìn)針情況，待“己進(jìn)入隧道區(qū)馬達(dá)停止連續(xù)進(jìn)”的提示框出現(xiàn)后，再點(diǎn)擊“確定”，此時(shí)紅線應(yīng)在-100—0V之間。然后進(jìn)行單步操作，即單擊馬達(dá)高級(jí)控制面板(A中的“單步進(jìn)”，使紅線最后調(diào)節(jié)于中間位置時(shí)停止操作，進(jìn)針結(jié)束。最后關(guān)閉“馬達(dá)高級(jí)控制面板(A)”圖框。7．針尖檢驗(yàn)。在屏上打開“IZ曲線Z”圖(即IZ的高度曲線圖)，出現(xiàn)“高度圖像”后在最左端單擊“掃描”，實(shí)現(xiàn)針尖在樣品表面掃描。掃描完畢后觀察圖中電流衰減情況，如果圖中的曲線越陡峭，同時(shí)變化不大就說明針尖好。四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果第一次數(shù)據(jù)與結(jié)果：第二次數(shù)據(jù)與結(jié)果：五、實(shí)驗(yàn)總結(jié)及誤差分析通過本次實(shí)驗(yàn)的完成了解了掃描隧道顯微鏡的基本原理，從本質(zhì)上理解了掃描隧道顯微鏡的